Проектирование надежной защиты, управления и сенсорики для умных систем безопасности домашнего мониторинга

Статья рассматривает критические компоненты защиты, управления и сенсорики, необходимые для надежных проводных и беспроводных камер умной безопасности дома, а также проводных камер дверных звонков.

Быстрые достижения в IoT трансформируют домашнюю безопасность. Новые сенсорные технологии и беспроводные протоколы — такие как Wi‑Fi — позволяют широкий спектр устройств, которые мониторят и контролируют всё от систем доступа до приборов, освещения и развлечений. Рисунок 1 показывает, как IoT расширяет возможности умного дома.

Рынок жилых камер безопасности быстро расширяется. Отгрузки прогнозируются расти с 54 млн в 2018 до 120 млн к 2023 — впечатляющие 17% CAGR (MarketsandMarkets, апрель 2020). Этот рост создает плодородную почву для инновационных продуктов, предлагающих высокую надежность и передовые средства защиты.

Надежность равно безопасности

Чтобы захватить долю рынка, продукты умной безопасности должны обеспечивать исключительную надежность. По мере интенсификации конкуренции и сужения дифференциации продукта, потребители все чаще судят качество по устойчивости к перегрузкам, переходным процессам и ESD. Следующие рекомендации помогают проектировщикам выбирать компоненты, защищающие и контролирующие ключевые цепи в проводных и беспроводных камерах, и в проводных камерах дверных звонков.

• Проводные и беспроводные камеры безопасности
• Проводные камеры дверных звонков

Проводные камеры безопасности

Проводные камеры безопасности — обычно стационарные системы, мониторящие внешние или внутренние зоны. Они получают питание от сети переменного тока и поэтому уязвимы для линейных перегрузок, переходных процессов и электростатического разряда (ESD). Рисунок 2 изображает типичную проводную камеру и основные компоненты защиты.

Проектировщики должны защитить схему камеры от этих опасностей. Рисунок 3 представляет блок-схему, интегрирующую рекомендованные компоненты защиты и управления для надежной проводной камеры.

Блок питания

Блок питания мостит сеть переменного тока и внутреннюю схему камеры. Защита от скачков тока и напряжения критична. Типичное решение включает медленный предохранитель для защиты от перегрузок, варистор (MOV) для зажима высокоэнергетических переходных процессов и TVS диод для быстрого подавления напряжения. Правильный выбор параметров — кривой времени-ток предохранителя, энергетический рейтинг MOV, зажимное напряжение TVS — обеспечивает толерантность адаптера к ударам молнии, линейным скачкам и ESD без ложных срабатываний.

Ключевые советы по выбору:

• Выбирайте медленный предохранитель, чтобы предотвратить срабатывание от пускового тока, но достаточно быстрый (в течение секунд) для блокировки непрерывных перегрузок.
• Проверьте, что напряжение предохранителя превышает максимальное линейное напряжение, и его отключающая способность справляется с худшим перетоком без повреждений.
• Используйте UL/IEC сертифицированные компоненты для упрощения соответствия.
• Разместите MOV максимально близко к входу сети; рейтинг 10 кА скачка и 500 Дж импульсной энергии типичен для молниезащиты.
• Выбирайте TVS диод с зажимным напряжением как можно ниже 10 В для максимальной защиты последующей электроники.

DC входная стадия

DC входная стадия питания питает плату управления, привод двигателя и интерфейс изображения-сенсора. Защитите эту стадию либо обычным предохранителем, либо самовосстанавливаемым полимерным положительным температурным коэффициентом (PPTC) предохранителем, оба доступны в компактных SMD корпусах. SMD TVS диод может обеспечить переходную защиту с пиковой импульсной мощностью до 5 кВт, занимая минимальную площадь платы.

Плата управления

Плата управления содержит MCU, видеопамять и интерфейс Power-over-Ethernet (PoE). Две подсистемы — проводной интерфейс и модуль памяти — требуют выделенной защиты:

• Проводной интерфейс: Используйте обычный или самовосстанавливаемый предохранитель для перегрузки по току и TVS диодный массив для ESD и высоковольтных переходных процессов. Рисунок 4 показывает двунаправленный диодный массив с рейтингом ESD 30 кВ и емкостью 1 пФ/порт.
• Модуль памяти: Защитите SD карту TVS диодом, способным выдерживать 30 кВ ESD, сохраняя утечку под 1 мкА.

Привод двигателя

Панорамирующие и наклоняющиеся моторы должны управляться чисто для избежания шума и переходных процессов. Оптически изолированный твердотельный переключатель — желательно с нулевым пересечением и ограничением тока — обеспечивает бездребезговую работу и защищает от заклинивания двигателя.

Беспроводные камеры безопасности

Беспроводные камеры — компактные, легко развертываемые единицы для мониторинга внутренних пространств. Рисунок 5 представляет типичную беспроводную камеру, а Рисунок 6 показывает ее блок-схему и рекомендованные компоненты защиты.

Адаптер

USB адаптер питает беспроводную камеру и должен быть защищен от перетока и напряженных переходов, как и блок питания проводной камеры. Включите предохранитель, MOV и TVS диод. Если дизайн использует USB Type-C, включите термический сенсорный элемент, обнаруживающий короткое замыкание и автоматически сбрасывающийся при нормализации температуры.

Батарейный блок

Батарейные блоки должны мониторить переток, который может возникнуть из-за отказа ячейки. Самовосстанавливаемый PPTC предохранитель (срабатывание менее чем за секунду при 200% перегрузке) защищает от каскадного повреждения. Для ESD защиты многослойные MOV с низким зажимным напряжением — доступные в корпусах 0402 — предлагают компактную, надежную экранировку. При использовании USB Type-C термический сенсор, идентичный адаптеру, защищает USB гнездо.

Плата управления

Плата управления беспроводной камеры также требует надежной защиты. 30 кВ Зенер TVS диод с утечкой под 0.5 мкА и 0201 SMD корпусом обеспечивает надежное ESD подавление.

Беспроводной интерфейс

Беспроводной интерфейс экспонирован к человеческому контакту и окружающему ESD. Полимерный ESD супрессор может обрабатывать 15 кВ воздушные удары и 8 кВ от человеческого прикосновения, с суб-0.2 пФ емкостью, сохраняющей целостность сигнала.

Камеры дверных звонков

Проводные камеры дверных звонков все популярнее для удаленного мониторинга посетителей. Рисунок 7 показывает пример единицы, а Рисунок 8 представляет его блок-схему с рекомендованными компонентами защиты и управления.

Блок питания

Как и другие блоки питания, дверного звонка должен включать предохранитель для защиты от перегрузки и TVS диод, способный поглотить до 4 кВт переходной мощности. Оптически изолированное твердотельное реле может дополнительно изолировать последующие цепи от линейного шума.

Батарейный блок

Резервный батарейный блок для платы управления и пользовательского интерфейса получает выгоду от той же защиты от перетока и переходных процессов, что и в беспроводных камерах. Добавьте TVS диод и, если применимо, термический сенсорный элемент для соответствия USB Type-C.

Пользовательский интерфейс

Человеческое взаимодействие вносит риск ESD. Защитите UI TVS диодом. Для европейских рынков твердотельное реле может отделить дверной звонок от камеры для соблюдения правил приватности и устранения механического дребезга и EMI.

Плата управления и беспроводной интерфейс

Эти подсистемы в камере дверного звонка зеркалят те в беспроводной камере; те же компоненты защиты применяются.

COVID-19 пандемия влияет на дизайн камер безопасности

Производители теперь интегрируют инфракрасное тепловое сенсирование для скрытого мониторинга температуры посетителей — функция, вероятно, станет стандартной в будущих умных системах безопасности. Надежная защита цепей еще более критична, когда эти камеры принимают новые функции здоровья и безопасности.

Применимые стандарты для домашних камер безопасности

Соответствие IEC 62368‑1 (аудио/видео коммуникационное оборудование) и IEC 62311‑2 (безопасность литий-ионных ячеек) обязательно. Несоблюдение этих стандартов может привести к дорогостоящим переработкам, задержкам сертификации и увеличению расходов проекта.

Таблица 1. Стандарты безопасности для продуктов с камерами наблюдения

Ценность защиты

Включение компонентов защиты и сенсорики на ранней стадии цикла дизайна — и соответствие стандартам — позволяет стоимостно-эффективную разработку надежных умных систем безопасности. Хотя стоимости компонентов варьируются, более высокие предварительные инвестиции в надежную защиту часто снижают общую стоимость владения и ускоряют выход на рынок. Используйте инженерную экспертизу надежных поставщиков компонентов; это партнерство экономит время и снижает риски.

Надежность и эффективность строят репутацию бренда, ведущую к увеличению доли рынка, выручки и рентабельности.

Для более глубокого понимания выбора компонентов обратитесь к Руководству по выбору защиты цепей и Руководству по выбору сенсорных продуктов Littelfuse.

Ссылки

1. Video Surveillance Market by System. MarketsandMarkets. Апрель 2020.
2. Universal Serial Bus Type‑C Cable and Connector Specification. Revision 2.0. Август 2019. USB Implementers Forum (USB‑IF), Inc.
3. Digital Temperature Indicators for USB Type‑C cables Design and Installation Guide. Littelfuse Application Guide. Апрель 2019.

Индустриальные статьи — это форма контента, позволяющая промышленным партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits способом, не подходящим для редакционного контента. Все промышленные статьи подлежат строгим редакционным рекомендациям для предоставления читателям полезных новостей, технической экспертизы или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в промышленных статьях, принадлежат партнеру и не обязательно совпадают с позицией All About Circuits или его авторов.